京津地区LED广告屏的光侵扰模拟研究

汪亚江，李 娜，王 琛，张明宇

(天津大学，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

随着城市建设快速发展，LED广告屏得到了普遍的应用，随之产生了其对周边居住区居民光侵扰的问题。LED广告屏光侵扰问题研究较为复杂，主要涉及亮度、瞬时变化、光色等多重因素的影响，根据为京津地区17处LED广告屏的现场调研发现，居民最介意“LED广告屏太亮了”“太晃眼了”对其的影响(约占30%)。因此，本文对LED屏的亮度侵扰进行模拟。

我们通过模拟软件GWLE2015计算出居住建筑窗口的照度，通过窗口照度值是否满足相关标准来判断是否对居住区产生光侵扰，衡量是否超标的标准取值于《城市夜景照明设计规范》(JGJ/T 163—2008)，因为本文研究的范围主要是商住混合区的LED广告屏，该区域属于E4区，综合实际情况取值为25 lx。

1 模拟软件、模拟方法及模型

1)模拟评价原则及模拟软件。本文采用的模拟软件GWLE2015是上海天乔科技有限公司基于建模软件AutoCAD上研发的国内关于幕墙光环境分析的软件，并二次开发了LED屏亮度侵扰模拟插件。其可以计算出受LED广告屏侵扰窗口的平均照度。

2)模拟方法。采用的GWLE2015模拟软件使用步骤如下：①SU建造建筑模型。还原LED屏周边环境和建筑以及受侵扰的居住建筑。②在建筑模型上插入受侵扰的窗口。③创建LED广告屏。可以自行设定LED广告屏的亮度，尺寸等自身参数，调整距地面高度，与建筑的相对位置(包括角度和距离)等安装位置参数。④计算窗口照度。通过选择建筑窗口、LED显示屏、遮挡物等相关现状，软件就能分析得出对应的建筑窗口照度。

3)典型模拟模型。通过改变LED广告屏与居住区建筑窗口的水平夹角、垂直夹角、水平直线距离就能包括相对位置的所有情况，因此将典型居住建筑窗口模型简化为单一窗口模型，通过设置LED屏本身参数，调整LED屏确定相对位置关系，便可以构成典型模拟模型，具体模型构建和流程如图1所示。

图1 典型模拟模型Fig.1 Typical simulation model

2 LED广告屏光侵扰多因素模拟

居住建筑窗口照度会随着LED广告屏面积、亮度、与居住建筑水平夹角、与居住建筑垂直夹角以及距受侵扰建筑水平直线距离五个参数的变化而变化。通过模拟研究这些变量对窗口照度的共同影响趋势，得出单一变量与窗口照度之间的关系。

2.1 模拟参数数值选取

单一因素模拟中将居住建筑的窗口尺寸定为1.5 m×1.5 m，五个变量具体取值根据前期调研分级如下。

1)LED广告屏亮度取值。将LED屏亮度值在调研阈值之间按照等比数列进行分级，亮度划分为65 cd/m2，195 cd/m2，585 cd/m2，1 755 cd/m2，5 265 cd/m2。

2)LED广告屏面积取值。LED屏面积在数值上呈等比变化，边长则呈等差变化。因此本次模拟LED屏面积分为48 m2,192 m2,432 m2,768 m2,1 200 m2五个等级，设定参数宽高比为4∶3，则宽高分别为8 m×6 m，16 m×12 m，24 m×18 m，32 m×24 m，40 m×30 m。

3)LED广告屏距受侵扰建筑水平直线距离取值。水平直线距离取41 m，106 m，171 m，236 m，301 m这五个距离，满足等差变化。

4)居住建筑窗口与LED屏水平夹角取值。为满足夹角的等差变化和具体参数选择范围，水平夹角取值为0°，30°，60°这三个角度。

5)居住建筑窗口与LED屏垂直夹角取值。垂直夹角取值为0°，30°，60°这三个角度。

2.2 数据初步分析

通过模拟结果(表1)可知，模拟结果共1 125个，最大值为3 020.594 5 lx，最小值仅为0.001 1 lx。利用SPSS软件可知，数据的标准偏差为221.378。说明数据较为分散，照度数据主要集中于100 lx以内，约占91.38%。

表1 数据统计结果Table 1 Data statistical results

2.3 相关性分析

利用统计学原理，探讨单一模拟参数与居住建筑窗口照度之间的关系，用SPSS软件进行相关性分析，对模型进行皮尔森相关系数检验，如果P值0.01

表2 各变量与窗口照度相关性分析Table 2 Correlation analysis of variable and window illumination

**——在0.01水平(双侧)上显著相关

3 窗口照度与单一影响因素规律模拟及分析

3.1 LED屏亮度与窗口照度的关系

通过控制水平直线距离、LED广告面积、水平夹角和垂直夹角，分析LED屏亮度与窗口照度的关系。

1)模拟参数值选取。控制变量的模拟参数取值根据调研数据选择(表3)，LED屏水平直线距离、LED屏面积取值为其调研数据平均值，水平夹角和垂直夹角均取值均为0°。模拟自变量亮度参数数值按照等比数列分为以下21个等级：65，80.972 51，100.87，125.656 8，156.534 6，195，242.917 5，302.609 9，376.970 5，469.603 8，585，728.752 6，907.829 7，1 130.912，1 408.811，1 755，2 186.258，2 723.489，3 392.735，4 226.434，526 5(单位为cd/m2)。

表3 模拟参数表Table 3 Simulation parumeter

2)模拟结果及分析。模拟结果如图2所示，窗口照度值随着LED屏亮度值增加而增加，且趋势相近，呈现显著的相关性。

图2 模拟结果Fig.2 Simulation result

为明确LED屏亮度与窗口照度的关系，对数据结果进行统计分析。如图3所示，决定系数R2值为1，模型拟合效果良好。因此得出，LED屏亮度跟受侵扰窗口照度为线性关系，拟合方程为y=0.013 8x+4×10-5。

图3 LED广告屏亮度与窗口照度关系图Fig.3 LED advertising screen brightness and window illuminance diagram

3.2 LED广告屏面积与窗口照度的关系

通过控制LED广告亮度、水平夹角、垂直夹角和水平直线距离，可以分析LED屏面积与窗口照度的相互关系。

1)模拟参数值选取。控制变量的模拟参数取值根据调研数据选择(表4)，LED屏水平直线距离、LED屏亮度取值均为其调研数据平均值，垂直夹角和水平夹角取值均为0°。LED广告屏面积参数数值按等比数列分为21个等级，取值分别为：48，69.12，94.08，122.88，155.52，192，232.32，276.48，324.48，376.32，432，491.52，554.88，622.08，693.12，768，846.72，929.28，1 015.68，1 105.92，1 200(单位为m2)。

表4 模拟参数表Table 4 Simulation parameter

2)模拟结果及分析。模拟结果如图4所示，窗口照度值随着面积值增加而增加。

图4 模拟结果Fig.4 Simulation result

对模拟数据进行分析可知(图5)，因此可以确定LED屏面积与窗口照度为线性关系，决定系数值为1，拟合曲线：y=0.036x+0.118 9。

图5 LED广告屏面积与窗口照度关系图Fig.5 LED odvertising screen area and window illuonination diagram

3.3 LED广告屏距窗口的水平直线距离与窗口照度的关系

通过控制LED屏亮度、面积、垂直夹角和水平夹角，分析水平直线距离与窗口照度的对应关系。

1)模拟参数值选取。控制变量的模拟参数取值根据调研数据选择(表5)，LED屏亮度、面积取值为其调研数据平均值，LED屏距居民窗口的水平和垂直夹角均取值均为0°。LED屏距受侵扰窗口的水平直线距离参数数值按等差数列可以分为以下21个等级41，54，67，80，93，106，129，132，145，158，171，184，197，210，223，236，249，262，275，288，301(单位为m)。

表5 模拟参数表Table 5 Simulation parameters

2)模拟结果及分析。模拟结果如图6所示， LED广告屏到居民窗口的水平直线距离越远，窗口照度值也就越低。

图6 模拟结果Fig.6 Simulation result

对模拟数据进行分析可知，如图7，LED屏到居民窗口的水平直线距离与受侵扰窗口照度为指数函数关系，利用SPSS软件拟合可以得到拟合曲线：y=109.85e-0.014x。

图7 LED广告屏距窗口的水平直线距离与窗口照度关系图Fig.7 LED advertising screen from the window of the horizontal line distance and window illumination diagram

3.4 LED广告屏与窗口的水平夹角与窗口照度的关系

通过控制LED屏亮度、面积、LED屏与居住建筑窗口间的水平直线距离和垂直夹角，分析水平夹角与窗口照度的关系。

1)模拟参数值选取。LED屏亮度、LED屏面积、LED屏距居民窗口的水平直线距离均取值为调研数据平均值，垂直夹角均取值均为0°(表6)。LED屏距窗口的水平夹角参数数值按等差数列可以分为以下21个等级：0°，3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°，24°，27°，30°，33°，36°，39°，42°，45°，48°，51°，54°，57°，60°。

表6 模拟参数表Table 6 Simulation parameter

2)模拟结果及分析。通过图8可知，窗口照度值随着水平角度的增加而逐渐降低，水平角度为0°时，窗口照度到达最大值，数值为10.943 6 lx。

图8 模拟结果Fig.8 Simulation result

经过分析，得知LED屏与受侵扰建筑窗口间的水平夹角与受侵扰窗口照度之间的关系为二元一次方程，如图9所示。曲线的拟合度较高，R2值为0.999 9，拟合方程为：y=-0.001 4x2-0.006 6x+10.977(R2=0.999 9)。

图9 LED广告屏与居民窗口水平夹角与窗口照度关系图Fig.9 LED advertising screen and residents window horizontal angle and window illumination diagram

3.5 LED广告屏与窗口的垂直夹角与窗口照度的关系

通过控制LED屏亮度、面积、LED屏与受侵扰建筑窗口间的水平直线距离和水平夹角，分析垂直夹角与窗口照度的对应关系。

1)模拟参数值选取。LED屏亮度、LED屏面积、LED屏距居民窗口的水平直线距离均取值为调研数据平均值，水平夹角均取值均为0°(见表7)。LED屏距窗口的垂直夹角参数数值按等差数列可以分为以下21个等级：0°，3°，6°，9°，12°，15°，18°，21°，24°，27°，30°，33°，36°，39°，42°，45°，48°，51°，54°，57°，60°。

表7 模拟参数表Table 7 Simulation parameter

2)模拟结果及分析。通过图10可知，垂直角度为0°时，窗口照度到达最大值。通过数据可知受侵扰窗口照度值随着垂直角度的增加而逐渐降低。

图10 模拟结果Fig.10 Simulation result

经过统计可知，LED屏与居住建筑窗口间的垂直夹角和窗口照度呈现三元一次方程的关系，如图11所示，拟合系数值为0.999 9，程度较高，方程为y=8×10-5x3-0.007 8x2+0.001 5x+10.963。

图11 LED广告屏与居民窗口垂直夹角与窗口照度关系图Fig.11 LED advertising screen and residential windows vertical angle and window illumination diagram

4 总结

1)我们通过模拟软件GWLE2015计算出居住建筑窗口的照度，通过窗口照度值是否满足相关标准来判断是否对居住区产生光侵扰，衡量是否超标的标准取值于《城市夜景照明设计规范》(JGJ/T 163—2008)，因为本文研究的范围主要是商住混合区的LED广告屏，该区域属于E4区，综合实际情况取值为25 lx。

2)对每个单一模拟参数与受侵扰建筑窗口照度进行相关性分析可知，LED屏亮度与居住建筑窗口照度显著正相关，P=0.286；LED屏面积和窗口照度显著相关，P值为0.180，表明两者呈正相关； LED屏与受侵扰建筑窗口间的垂直夹角和水平直线距离与窗口照度值均成呈负相关，P值分别为-0.270和-0.160；而水平夹角和受侵扰窗口照度之间并没有显著的相关性。

3)构建控制变量的模拟模型，最终可知：

①LED屏亮度与受侵扰窗口照度为线性关系，拟合方程：y=0.013 8x+4×10-5(R2=1)。

②LED屏面积参数与受侵扰窗口照度的为线性关系，拟合曲线：y=0.036x+0.118 9(R2=1)。

③LED屏到受侵扰居民窗口的水平直线距离与受侵扰居民窗口照度为指数函数关系，拟合曲线：y=2 551.7e-0.013x(R2=0.944 5)。

④LED屏与受侵扰居住建筑窗口间的水平夹角与受侵扰窗口照度之间的关系为二元一次方程。拟合曲线：y=-0.001 4x2-0.006 6x+10.977(R2=0.999 9)。

⑤LED屏与受侵扰居住建筑窗口间的垂直夹角和受侵扰窗口照度呈三元一次方程的关系，拟合曲线：y=8×10-5x3-0.007 8x2+0.001 5x+10.963(R2=0.999 9)。

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